(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と外管との間に真空空間を形成して断熱を行う可撓性を有する極低温流体移送管であって、
金属から形成される前記内管と前記内管の収縮に追従して収縮しうる弾性を備えた低揮発性樹脂から形成される前記外管とにより構成されているとともに、前記内管および前記外管はそれぞれ管径が一定であり、
前記内管に極低温流体を流通させることによって前記内管と前記外管との間に前記真空空間を形成することを特徴とする極低温流体移送管。
【請求項２】
請求項１において、前記外管は前記低揮発性樹脂のみから単層状に形成されている極低温流体移送管。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、継ぎ目のない前記外管に、継ぎ目のない前記内管を挿通して構成されている極低温流体移送管。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、前記外管を形成する低揮発性樹脂がナイロン６，６である極低温流体移送管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極低温流体を移送する二重管に関し、より詳細には、真空断熱を利用して極低温流体の温度上昇を抑制しながら移送する極低温流体移送管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、真空断熱を利用した極低温流体移送管としては、内管および外管を金属とし、その間に真空空間を形成して外気温が極低温流体へ伝わるのを防止する真空断熱金属二重管がある。金属は耐圧性に富むため、真空空間を維持するという点には優れているが、極低温下での内管の収縮に対し、常に外気温下にある外管が追従できず、金属ベローズ等のいわゆる逃げ構造を備えなければ、金属疲労によりヘアクラックのような亀裂等を生じ、真空を維持できないという問題がある。
【０００３】
一方、流量速度を増すためには、内管の内径を大きくすればよいが、移送管の単位長さあたりの重量はこの内径の大きさに比例するため、内管の内径の大きい移送管では大人一人が持ち運ぶことも操作することもできないという問題がある。また、移送管全体の曲げ抵抗も内管の内径に比例するため、内管の内径が大きい移送管を構成する場合には、例えば図６（ａ）のような水平方向に自由度を持たない固定式のものや、図６（ｂ）のような重量のある金属フレキシブル管等を配設することにより可撓性を具備させたもの等とする必要がある。さらに、金属フレキシブル管等を採用せずに可撓性を持たせるためには、例えば曲率型の移送管のように（図示しない）内管の内径を小さくする必要もある。
【０００４】
以上のような課題を解決すべく、例えば、特開平６−２８１０８８号公報において、複数の円形小片状スペーサーブロックを所定間隔で配設することで可撓性を持たせた真空断熱フレキシブルホースが提案されている（特許文献１）。また、特開平２−１５４８８４号公報においては、金属から形成される内管と可塑性樹脂や耐候性ゴム等から形成される外管により構成されるフレキシブルホースが提案されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２８１０８８号公報
【特許文献２】特開平２−１５４８８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載された発明は、ロケット発射台からロケットに液体水素や液体酸素等の極低温液体を供給する際に用いる移送管であり、ステンレスからなる内管にメタルブレードとスーパーインシュレーションを巻回したうえ、円柱小片状スペーサーブロックを連結ワイヤで複数列配設するという、大掛かりで複雑な構成を要し、かつ重量が大きいものである。そのため、例えば、液体ヘリウムの入ったコンテナーからクライオスタットに移送する等の場合に用いる移送管のようなスケールにおいて、この構成を採用することは困難であるという問題がある。
【０００７】
一方、特許文献２に記載された発明は、外管を可塑性樹脂や耐候性ゴム等で形成し、内管と外管との間にヘリウムガス層を形成しているが、この場合、外気温から極低温液体へ熱伝導が起こり、真空断熱と比較すると断熱効果は格段に劣るという問題がある。それ故、低温破壊を避けるために、外管を形成する可塑性樹脂や耐候性ゴムには低温可撓性が要求されている。さらに、ヘリウムガス層を維持するためには移送管内にヘリウムガスを充填する構造と充填作業が不可欠であるため、手間が掛かり、特に移送距離の長い現場では不便である。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、コンダクタンスが極めて向上したにもかかわらず、非常に軽量でかつフレキシブルであるため、取り扱いも簡単であって一人でも安全に取り扱うことができ、しかも安価に製造することができる極低温流体移送管を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る極低温流体移送管の特徴は、内管と外管との間に真空空間を形成して断熱を行う可撓性を有する極低温流体移送管であって、金属から形成される内管と所定の低揮発性樹脂から形成される外管とにより構成されており、内管に極低温流体を流通させることによって内管と外管との間に真空空間を形成する点にある。
【００１０】
従来、極低温流体移送管の外管が弾性の富む樹脂材料を加工して形成される場合、低温破壊を防止するために耐低温性の樹脂が用いられるが、本発明に係る極低温流体移送管の外管は真空空間に接することで極低温から断熱されるため、常温でも使用可能な低揮発性樹脂を用いることができる。また、極低温流体移送管の内管を金属で形成する場合は、一般には熱伝導性の低い金属、特に合金を加工して形成されているが、本発明に係る極低温流体移送管の内管は真空空間に接することで熱伝導を防ぐため、熱伝導性の高い金属をも用いることができる。
【００１１】
また、本発明において、内管の外周に所定の低揮発性樹脂からなる繊維が巻回され、かつこの内管の外周に巻回された繊維の列がこの内管の長手方向に複数列設けられていることが好ましい。極低温流体移送管では、例えば移送作業中に内管と外管が接してしまうような曲げが生じてしまうことも有り得るが、このような場合に、前記繊維が内管と外管との接点にスペーサーとして介することにより、内管と外管との接触による熱伝導を防止することができる。
【００１２】
さらに、本発明において、外管を形成する所定の低揮発性樹脂がポリアミド系樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、またはポリエステルのいずれかであることが好ましい。ここで、本発明に係る「所定の低揮発性樹脂」とは、外管を形成するのに用いて内管に極低温流体を流通させた場合に、樹脂から揮発するガスの揮発量と、このガスを吸着する内管の吸着量の兼ね合いにより、内管と外管との間に真空空間が形成され、この真空度を維持することができるような樹脂をいう。一般に、樹脂は真空中におけるガスの放出量が多く、また、いかなる樹脂でもガスを放出することから、一般的には真空空間を形成するような環境下では用いられないが、本発明に係る極低温流体移送管においては、内管に極低温流体を流通させることによって内管と外管との間に真空空間が形成されればよいため、前記低揮発性樹脂が用いられている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、極低温流体移送管のコンダクタンスを極めて向上することができ、流体の流量速度をも増すことができる。また、非常に軽量でかつフレキシブルに形成することができ、取り扱いも簡単になり、一人でも安全に取り扱うことが可能になる。さらに、複雑な構成を要しないため安価に製造することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る極低温流体移送管の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態における極低温流体移送管１の長手方向の断面図であり、図２は極低温流体移送管１の長手方向に対する垂直方向の断面図であり、図３は、本実施形態における真空空間４の圧力測定の方法を示した図である。また、図４は本実施形態における極低温流体移送管１の使用状態図である。図１または図２に示すとおり、本実施形態における極低温流体移送管１は、内管２、外管３、および内管２と外管３との間の真空空間４に配設されたスペーサー５から構成されている。
【００１５】
本実施形態における内管２は、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４から形成されている。ＳＵＳ３０４は、耐食性、靭性、延性、加工性、溶接性に優れており、しかも廉価であるため好ましいが、本発明に係る極低温流体移送管の内管を形成する金属はこれに限定されず、重金属や軽金属等の純金属の他、鋼や非鉄合金等の合金であってもよい。
【００１６】
従来、極低温流体移送管を構成する内管は、熱伝導性が低く耐食性のある金属を加工して形成されている。しかし、本発明に係る極低温流体移送管を構成する内管の場合、外管との間に真空空間が形成されて断熱効果が高いため、熱伝導性の程度は特に問わないが、本実施形態に係る極低温流体移送管１のように真空空間４の厚みが小さい等の場合は、熱伝導性の低い金属を加工して形成されることがより好ましい。また、本発明に係る極低温流体移送管は、複雑な構成ではないために内管や外管の取り替えが容易であることから、内管の耐食性についても特に問わないが、本実施形態に係る極低温流体移送管１のように頻繁に使用される等の場合は、耐食性に優れた金属を加工して形成されることが好ましいといえる。なお「極低温」とは、絶対温度に近い、極めて低い温度をいい、一般にはヘリウムの沸点である４Ｋ（零下約２６８℃）をいうが、本発明においては真空空間に残存するガスないし外管を形成する樹脂から揮発するガスを凝固させて内管に吸着させる温度をいい、例えば、真空空間に残存するガスと外管を形成する樹脂から揮発するガスとが窒素の場合は、窒素を凝固させて内管に吸着させる温度をいう。また、本発明に係る極低温流体移送管を用いて移送される極低温流体には、液体ヘリウムや液体水素、液体窒素、液体酸素等の極低温の液体のみならず、極低温の気体や、極低温下で移送される粒状固体または粉状固体等の固体、電気等も含まれる。
【００１７】
一方、本実施形態における外管３は、ナイロン６，６から形成されている。ただし、本発明に係る極低温流体移送管の外管を形成する樹脂は、内管に極低温流体を流通させた場合に、樹脂から揮発するガスの揮発量とこのガスを吸着する内管の吸着量の兼ね合いにより、内管と外管との間に真空空間が形成され、この真空度を維持することができるような低揮発性樹脂であれば特に限定されず、好ましくは、ポリアミド系樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、またはポリエステルのいずれかであり、より好ましくは、ポリアミド系樹脂である。また、ポリアミド系樹脂のうちさらに好ましくはナイロンであり、ナイロン６，６であることが最も好ましい。
【００１８】
外管が樹脂により形成されることにより、極低温流体移送管全体の重量が軽量となり、かつ移送管全体の曲げ抵抗も小さくなって可撓性が増すため、従来よりも内管の内径を大きくすることが可能となり、その結果、従来の極低温流体移送管に比べ、流量を増大することが可能となる。
【００１９】
また、樹脂により形成された管は、一般に、常温下では内部圧力が外部圧力すなわち大気圧より高くなることが想定されており、耐圧性樹脂管という場合は、高圧である内部圧力に耐え得る樹脂管を指す。これに対し、本発明に係る極低温流体移送管を構成する外管は、内部圧力が大気圧より低い、すなわち負圧に耐え得る低揮発性樹脂を加工して形成されていなければならないが、一般の耐圧樹脂管であって、高圧である内部圧力のみならず負圧である内部圧力に耐え得るものであれば、これを用いることもできる。また、外管を、低揮発性樹脂を単体で成形してもよいが、外管のうち真空空間に接する内周面に低揮発性樹脂を適当な厚さに塗布することによって高真空度を保持しうる樹脂層を備えた外管を構成してもよい。さらに、外管のうち真空空間に接する内周面に金属蒸着薄膜や多層反射膜ラミネート構造等を形成してもよい。
【００２０】
また、例えば、ロケット発射時に発射台からロケットに極低温液体を供給する際に用いられるといった、極低温流体移送管が屋外で用いられる等の場合は、極低温流体移送管を構成する外管は、耐候性や耐腐食性等に優れた樹脂材料を加工して形成されている必要があるが、本発明に係る極低温流体移送管は必ずしもこのような条件下での使用に限定されないため、本発明に係る極低温流体移送管を構成する外管の耐候性や耐腐食性は問わない。しかしながら、本実施形態に係る極低温流体移送管１のように様々な薬品が使用されている研究室で使用される場合や、超伝導送電ケーブルの冷却用チューブに適用する等の場合は、耐候性や耐腐食性、耐薬品性等に優れた低揮発性樹脂を加工して形成されることや、外管の外周に耐候性や耐腐食性、耐薬品性を有する物理的又は化学的被覆層を備えることが好ましいといえる。
【００２１】
ここで、「真空空間」とは、日本工業規格Ｚ８１２６−１において定義されている、番号２．１．１の真空である空間、すなわち通常の大気圧より低い圧力の気体で満たされた空間の状態をいうが、番号２．１．１．１の低真空または前記低真空より圧力が低い真空空間、すなわち圧力１０５Ｐａ以下の真空空間であることが好ましく、番号２．１．１．２の中真空または前記中真空より圧力が低い真空空間、すなわち圧力１０２Ｐａ以下の真空空間であることがより好ましく、番号２．１．１．３の高真空または前記高真空より圧力が低いである真空空間、すなわち圧力１０−１Ｐａ以下の真空空間であることがさらに好ましい。本発明者等は、鋭意研究の結果、本発明に係る極低温流体移送管の内管に極低温流体を流通させることにより、内管がいわゆるソープションポンプの役目を果たすため、内管と外管との空間の真空空間となることを見出した。
【００２２】
つまり、内管に極低温流体を流通することによって内管の温度が極低温に達すると、内管と外管との間に残存する空気が急速に冷却される。すると、空気を構成する窒素や酸素等が固体となって内管に吸着され、真空空間が速やかに形成されるのである。この時、外管を形成する低揮発性樹脂からガスが発生し、同様に急速に冷却されて固体となって内管に吸着されるという現象が連続的に起こるが、外管からのガス発生量よりも内管への固体吸着量の方が多くなることで、真空空間が形成・保持されるのである。
【００２３】
なお、本実施形態においては、図３（ａ）に示すとおり、配設した真空ポンプによりあらかじめ真空空間４が真空になるよう、圧力を調整しているが、本発明に係る極低温流体移送管の真空空間は、前述した理由により内管に極低温流体を流通させることによって速やかに真空となるため、内管と外管との間の空間の圧力が外部圧力である大気圧と同じ状態から極低温流体の移送を開始してもよい。
【００２４】
次に、本実施形態におけるスペーサー５は、ナイロン６，６繊維を紡糸して形成されたいわゆるナイロン糸から構成されている。図１または２に示すとおり、本発明に係る極低温流体移送管の内管の外周に巻回された繊維は、スペーサーとして、内管と外管との接点に介することにより内管と外管との接触を防止することができるものであれば、材質や直径は特に限定されないが、内管から外管へのスペーサーを介した熱伝導の問題や、真空空間に接するためこれを損なわない観点から、材質は前記低揮発性樹脂であり、かつ真空空間の厚みより小さい直径であるものが好ましく、点レベルで内管と外管との接触を防止することができる直径であるものがさらに好ましいといえる。なお、本発明における「内管の外周に巻回された繊維」には、外管の内周に巻回された繊維が含まれる。
【００２５】
また、本実施形態におけるスペーサー５は、図１に示すとおり、１本のナイロン糸が内管２の外周に螺旋状に巻回され、この巻回されたナイロン糸の列が内管２の長手方向に複数列となるように形成されているが、本発明に係る極低温流体移送管においては、複数の繊維が内管の外周に各々螺旋状に巻回されて形成されてもよく、あるいは複数の繊維がリング状に巻回されて形成されてもよい。なお、リング状に巻回されて形成された場合、真空空間４において、極低温流体移送管１の長手方向に対する垂直方向に仕切りが形成されるが、螺旋状に巻回されて形成された場合は、このような仕切りが形成されることなく真空空間４が一体となり、速やかに真空が形成されることから、螺旋状に巻回されて形成されることが好ましい。さらに、本発明に係る極低温流体移送管においては、巻回された繊維の列が極低温流体移送管全体に配設されてもよく、曲げの多い部分等の一部に配設されてもよい。
【００２６】
また、本実施形態における極低温流体移送管１には、図１に示すとおり、可撓性を有さない真空断熱金属二重管６が継手７によってその両端に接続され、全体として１本の複合管１１が構成されている。また、接続されていない真空断熱金属二重管６の両端において真空断熱金属二重管６の真空空間が端子８により閉じられている。さらに、内管２に極低温流体を流通させる前に、内管２と外管３との間に圧力が１０５Ｐａ以下の真空空間４があらかじめ形成されるよう、真空断熱金属二重管６には真空バルブ９を経て真空ポンプ１０が接続されている。このように、極低温流体移送管全体として可撓性を有する必要がない場合は、本発明に係る極低温流体移送管に可撓性を有さない真空断熱金属二重管を接続する等して本発明に係る極低温流体移送管を使用してもよく、必要に応じて真空ポンプ等の装置を配設して使用してもよい。
【００２７】
次に、本発明に係る極低温流体移送管の実施例について説明する。なお、本発明の範囲は、これらの実施例によって示される特徴に限定されない。
【実施例１】
【００２８】
＜極低温流体移送管の作製＞
本実施形態における極低温流体移送管１は、次のように作製することができる。
１）スペーサー３の形成
内管２として、内径が５ｍｍまたは５．４ｍｍ、外径が６ｍｍで長さが４ｍのＳＵＳ３０４管を用い、その一端から約１５ｃｍの所にて、直径が０．７ｍｍ〜０．９ｍｍのナイロン糸の一端を熱収縮チューブで固定し、内管２全体にこのナイロン糸を所望の間隔で巻回した後、シアノアクリレート接着剤で固定することにより形成した。
【００２９】
２）端子８の作製
棒の中心に内径６．０ｍｍの穴をドリルで形成し、外径１０．０ｍｍのＳＵＳ管が嵌合するように旋盤で外径９．０ｍｍ、長さ１０．０ｍｍ程度になるように仕上げ、同様にして外径９．０ｍｍのＳＵＳ管に嵌るように外径８．０ｍｍ，長さ１０．０ｍｍ程度に仕上げることにより作製した。
【００３０】
３）極低温流体移送管１の組み立て
外管３として、内径が９．５６ｍｍ、外径が１２．７ｍｍで長さが１．０ｍのシンフレックス（登録商標）チューブ（ハギテック社製、品番Ｎ５−１−１／２）を用い、外管３に内管２を挿通して内管２の長さを調整した後、真ちゅう製のシンフレックス（登録商標）管用継手とユニオンコネクター（型番ＵＣ４Ｎ１２Ｘ９）とから形成した継手７を用いて真空断熱金属二重管６を接続した。真空空間の、極低温流体移送管１の長手方向に対する垂直方向の幅は約１．０ｍｍであった。また、内径が９．０ｍｍ、外径が１２．０ｍｍで長さが５０ｍｍの真ちゅう管に真空バルブ９を接続することにより、真空ポンプ１０を配設した。完成した本実施形態における極低温流体移送管１を図１に示す。
【実施例２】
【００３１】
＜液体ヘリウムの移送＞
本実施形態における極低温流体移送管１は、例えば液体ヘリウムの移送において次のように使用することができる。
１）予冷
予冷は、定法に従って行われる。すなわち、クライオスタット・デュワー内に液体窒素を挿入し、デュワー内が液体窒素温度である７７Ｋに到達させた後、３０〜６０分間保持する。液体窒素温度である７７Ｋに安定させた後、窒素ガスで加圧して液体窒素をデュワー外に排出後、窒素気体を真空ポンプで排気し、ヘリウムガスで置換することにより行われる。
【００３２】
２）移送
あらかじめ、真空空間４の圧力を１０−１Ｐａ以下に調整した後、ヘリウムコンテナー内とクライオスタット内との気圧差が０．１ｂａｒになるように調整することにより、クライオスタット内に液体ヘリウムを移送する。なお、気圧差の調整は定法に従って行われる。すなわち、あらかじめ液体ヘリウムコンテナーに備え付けのゴム風船のバルブを開口し、ゴム風船を膨張させた後、このゴム風船を両手で押さえることにより加圧し、０．１ｂａｒになり次第加圧をやめる。その後、圧力値が低下した場合は、再度前記の手法にて加圧し、０．１ｂａｒになり次第加圧をやめる。以下これを繰り返して所望の量の液体ヘリウムを移送させることができる。
【００３３】
本実施形態における極低温流体移送管１による液体ヘリウムの移送の様子を図４に示す。液体ヘリウムの移送が始まると、前記のとおり、低揮発性樹脂から形成される外管３からは連続して少量のガスが発生するが、内管２がソープションポンプの役目を果たし、約１０−５Ｐａ以下の真空空間が形成される。この時、内管２は極低温下で収縮するが、低揮発性樹脂から形成される外管３は弾性に富むため、この外管３が内管２の収縮に追従して収縮する。さらに、図４に示すとおり、極低温流体移送管１は可撓性に優れていることが分かる。
【実施例３】
【００３４】
＜従来の真空断熱金属二重移送管との流量の比較＞
本実施形態における極低温流体移送管１の外管３を樹脂で形成することにより、極低温流体移送管１全体の重量が軽量となり、かつ移送管全体の曲げ抵抗も小さくなって可撓性が増したため、内管２の内径を従来の極低温流体移送管よりも大きくすることができた。本実施形態における極低温流体移送管１と、図６に示す従来の真空断熱金属二重移送管（Ｏｘｆｏｒｄ社製ＴＴＮシリーズ）との流量値を図５に示す。流量値は、ヘリウムコンテナー内とクライオスタット内との気圧差を０．１ｂａｒとした場合の１分間に流れた液体ヘリウムの量（リットル）で表す。図５に示すとおり、本実施形態における極低温流体移送管１の流量値は、従来の真空断熱金属二重移送管の流量値と比較して４倍以上であり、従来と比較して極めてコンダクタンスが向上することが示された。約１．０ｍｍの真空空間であるにもかかわらず低温流体移送管１の特性が優れているのは、内管２への熱伝導、すなわち室温から極低温への熱伝導が熱輻射より対流が中心であることを示している。また、従来の真空断熱金属二重移送管に関するＯｘｆｏｒｄ社のカタログに掲載されている流量値は１リットル／分・０．１ｂａｒとなっているところ、この実用化されている流量値と比較しても３倍強であることが確認でき、本実施形態の極低温流体移送管１の特性が如何に優れているかが理解できる。
【００３５】
以上のような本実施例によれば、
１．コンダクタンスを極めて向上することができ、流体の流量速度をも増大することができる。
２．非常に軽量でかつフレキシブルに形成することができ、取り扱いも簡単になり、一人でも安全に取り扱うことが可能となる。
３．付属機構等の複雑な構成を要しないため安価に製造することが可能となる。
【００３６】
なお、本発明に係る極低温流体移送管は、前述した実施例に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、継手７により真空断熱金属二重管を接続しないで極低温流体移送管１を使用してもよく、極低温流体移送管１に直接、真空ポンプ１０を接続した真空バルブ９を配設する等としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施形態における極低温流体移送管１の長手方向の断面図である。
【図２】本実施形態における極低温流体移送管１の内管２から外管３方向の断面図である。
【図３ａ】本実施形態における移送前の真空空間の圧力測定の方法を示す図である。
【図３ｂ】本実施形態における移送中の真空空間の圧力測定の方法を示す図である。
【図４】本実施形態における極低温流体移送管１の使用状態図である。
【図５】本実施形態における極低温流体移送管１と従来の真空断熱金属二重移送管との流量値を示す表である。
【図６ａ】固定式を採用した従来の真空断熱金属二重移送管を示す図である。
【図６ｂ】金属フレキシブル管を用いた従来の真空断熱金属二重移送管を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  極低温流体移送管
２  内管
３  外管
４  真空空間
５  スペーサー
６  真空断熱金属二重管
７  継手
８  端子
９  真空バルブ
１０  真空ポンプ
１１  複合管
１０１  圧力ゲージ
【図２】
0005188769.tif 000002
【図３ａ】
0005188769.tif 000003
【図３ｂ】
0005188769.tif 000004
【図５】
0005188769.tif 000005
【図６ａ】
0005188769.tif 000006
【図６ｂ】
0005188769.tif 000007
【図１】
0005188769.tif 000008
【図４】
0005188769.tif 000009